海上風(fēng)電場單樁基礎(chǔ)防沖刷施工技術(shù)

雷 傳，范肖峰，葉兆藝，張震宇

(1. 中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122；2. 浙江華東工程咨詢有限公司，浙江 杭州 311122；3. 浙江大學(xué)海洋學(xué)院，浙江 舟山 316021)

海上風(fēng)能是海洋資源中具有商業(yè)發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉?。我國《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》特別強(qiáng)調(diào)繼續(xù)大力開展沿海省份的海上風(fēng)電項(xiàng)目。目前，由于大直徑單樁基礎(chǔ)具有樁基承載性能優(yōu)越及施工便捷等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛的使用于海上風(fēng)電工程，并成為首要選擇[1]。海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)會(huì)受波浪流的影響，在樁基周圍形成渦流，使得樁基周圍的土體發(fā)生局部沖刷，從而影響土體的力學(xué)特性及樁基的穩(wěn)定性。國內(nèi)外很多學(xué)者也開展了相關(guān)的研究[2-8]。比如，魏凱等[2]開展了潮汐流作用下的單樁基礎(chǔ)模型局部沖刷試驗(yàn)及防沖刷研究。袁建中[3]基于江蘇某海上風(fēng)電項(xiàng)目，對(duì)海上風(fēng)電單樁基礎(chǔ)的多種防沖刷方案開展了對(duì)比分析研究。因此，采取合適的防沖刷措施，阻止樁基土體的局部沖刷，是海上風(fēng)電工程亟需解決的重要問題。

1 工程概況

江蘇某海上風(fēng)電場工程位于江蘇近海海域，場區(qū)中心離岸距離約32 km。場區(qū)呈長方形，南北長約8 km，東西寬約5 km，場區(qū)規(guī)劃面積約40 km2，安裝42臺(tái)單機(jī)容量6 MW的風(fēng)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為252 MW，水深在6～13 m之間。風(fēng)電場風(fēng)機(jī)機(jī)位平面布置如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場風(fēng)機(jī)機(jī)位平面布置圖

2 海洋水文及工程地質(zhì)

2.1 水文特征

本工程位于江蘇近海輻射沙洲區(qū)域，受輻射沙洲區(qū)潮波輻聚作用影響。本海域正西方向有呂四海洋站，具有1959年至今潮位資料，工程場區(qū)100年一遇高、低水位分別為4.03、-2.92 m，50年一遇高、低水位分別為3.84、-2.85 m。場區(qū)內(nèi)風(fēng)電場區(qū)的設(shè)計(jì)潮位取值為(1985國家高程基準(zhǔn))：波浪的季節(jié)變化主要受季風(fēng)影響，秋季是全年風(fēng)浪盛行的季節(jié)，最大波高出現(xiàn)在8月份，達(dá)到3.89 m，5月份最小值0.44 m。受輻射沙洲灘槽相間的地形特點(diǎn)影響，大多數(shù)潮流通道內(nèi)的測點(diǎn)潮流主要為往復(fù)流形態(tài)，潮流橢圓長軸與水道走向基本一致。根據(jù)各站潮流與潮位的變化過程可以看出，測區(qū)水域潮波基本具有駐波性質(zhì)，最大流速基本出現(xiàn)在半潮面時(shí)刻，而轉(zhuǎn)流時(shí)刻則大致在高平和低平時(shí)刻，此時(shí)流速最小。冬季潮流可能最大流速在0.67～1.09 m/s之間?？赡茏畲罅魉僮畲笾禐?.09 m/s。測區(qū)夏季潮流可能最大流速在0.91～1.33 m/s之間。可能最大流速最大值為1.33 m/s。

水體的含沙量的變化受制于地形、潮流、徑流、波浪、水深、風(fēng)速和底質(zhì)等諸多因素，不同海域的含沙量有較明顯的變化。冬季大潮期含沙量的變化范圍為0.438～0.486 kg/m3，平均含沙量為0.458 kg/m3；夏季大潮期含沙量的變化范圍為0.192～0.362 kg/m3，平均含沙量為0.262 kg/m3。

2.2 地質(zhì)特征

海底地形變化較為平緩，屬南黃海濱海相沉積地貌單元。場區(qū)內(nèi)地基土表層以粉砂為主。水深為6～13 m之間。根根據(jù)鄰近場區(qū)勘察成果，場區(qū)地層自上而下分述如下：①層粉砂，為新近沉積土，灰黃色，松散～稍密，局部夾粉土，含有機(jī)質(zhì)及云母碎屑。該層全場分布，層頂標(biāo)高-14.45～-12.30 m，層厚2.40～3.00 m。②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，灰色，流塑，局部夾薄層狀粉砂，含少量云母、貝殼碎屑。該層全場分布，層頂埋深 2.40～3.00 m，層頂標(biāo)高-17.45～-14.70 m，層厚11.00～13.70 m。②層粉質(zhì)粘土夾粉砂，灰、灰褐色，軟塑，局部流塑，局部夾團(tuán)塊狀粉砂，含少量云母、貝殼碎屑。該層全場分布，層頂埋深13.40～16.50 m，層頂標(biāo)高-29.10～-25.70 m，層厚3.90～7.60 m。③層粉砂，灰色，中密，局部稍密，局部夾層狀淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，含云母、貝殼殘?bào)w。該層全場分布，層頂埋深 19.00～30.00 m，層頂標(biāo)高-42.60～-33.00 m，層厚 4.60～12.30 m。

3 樁基沖刷現(xiàn)場勘測情況

截止2020年9月8日～2020年9月11日監(jiān)測前，共有13臺(tái)風(fēng)機(jī)已沉樁，本次共對(duì)12臺(tái)單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊半徑50 m范圍內(nèi)海底底質(zhì)及沖刷溝發(fā)育情況監(jiān)測，H3-39號(hào)風(fēng)機(jī)因施工船只?？课礈y。本次所測12臺(tái)單樁基礎(chǔ)周邊海底地形均存在不同程度的沖刷現(xiàn)象。

1)相對(duì)設(shè)計(jì)高程最大坑深。距風(fēng)機(jī)中心半徑23 m范圍內(nèi)，最大坑深范圍為0.49～6.3 m，最小、最大沖坑深度分別是H3-44號(hào)風(fēng)機(jī)和H1-1號(hào)風(fēng)機(jī)。最大沖坑深度大于5 m的共有2臺(tái)，風(fēng)機(jī)編號(hào)分別為H1-1號(hào)和H1-24號(hào)。

2)相對(duì)設(shè)計(jì)高程沖刷量。距風(fēng)機(jī)中心半徑23 m范圍內(nèi)，沖刷量范圍為2 079～5 415 m3，平均沖刷量為3 689 m3，最小、最大沖刷量分別是H3-23號(hào)風(fēng)機(jī)和H1-1號(hào)風(fēng)機(jī)。

3)相對(duì)設(shè)計(jì)高程淤積量。H3-44號(hào)風(fēng)機(jī)相對(duì)設(shè)計(jì)高程有淤積趨勢，距風(fēng)機(jī)中心23 m范圍內(nèi)淤積量為1 015 m3。根據(jù)2020年9月的測量報(bào)告，去除最大、最小沖刷坑，計(jì)算得出平均沖刷方量約為3 402 m3，本次共134根風(fēng)電樁基，合計(jì)45.6萬m3。典型沖刷情況如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)周邊地形監(jiān)測三維圖(最大沖刷量)

4 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)防沖刷施工技術(shù)

4.1 設(shè)計(jì)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場每根樁基的實(shí)際沖刷測量數(shù)據(jù)，采用復(fù)合吹砂袋和固化土相結(jié)合方法施工，先采用編織復(fù)合布充填袋裝砂(小砂袋尺寸1.5 m×1.5 m×0.4 m小袋型式；小袋裝砂由230 g/m2聚丙烯編織布和150 g/m2聚酯短纖無紡布復(fù)合而)進(jìn)行沖刷坑回填防護(hù)，再采用標(biāo)準(zhǔn)固化土吹填約2 m，自然流淌至防護(hù)圍，標(biāo)準(zhǔn)固化土吹填完成的灘面標(biāo)高與周邊平均海床面高程相差不宜大于1.5 m。形成一個(gè)整板固化土抗沖刷樁基護(hù)底結(jié)構(gòu)。圖3為樁基固化土沖刷防護(hù)平面圖，圖4為固化土抗沖刷設(shè)計(jì)斷面圖。單樁基礎(chǔ)受波浪流的影響，在樁基周圍形成渦流，采用固化土沖刷防護(hù)平面后，一方面增加了土體的力學(xué)性質(zhì)，另一方面覆蓋了樁基的土體，從而可以改變樁基周圍的渦流形態(tài)，有效的防止樁基周圍的土體發(fā)生局部沖刷，提高樁基的穩(wěn)定性。

圖3 固化土沖刷防護(hù)平面示意圖

4.2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

實(shí)驗(yàn)室前期依據(jù)淤泥類型和含水率、聚合力、抗沖刷等設(shè)計(jì)要求的指標(biāo)進(jìn)行確定。袋裝砂回填完畢后再在上部吹填標(biāo)準(zhǔn)固化土，固化劑摻量為160 kg/m3，形成貼合海床緊密的整版結(jié)構(gòu)，抵抗海底水流沖刷。本工程測區(qū)潮流最大底層流速1.33 m/s，樁身周邊最大流速約為海底最大流速的1.5倍，為1.995 m/s，考慮富余，固化土抗沖刷能力設(shè)計(jì)為可以抵抗4 m/s以上流速的水流沖刷。標(biāo)準(zhǔn)固化土質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求如表1。

4.3 袋體制作與施工

本工程在現(xiàn)場設(shè)置土工織物加工廠，滿足本工程各類土工布袋加工制作，配置相應(yīng)的加工設(shè)備。①土工織物袋可根據(jù)填筑尺寸在現(xiàn)場加工制作加工成型；砂袋縫縫或拼縫宜采用“包縫”或“丁縫”，縫縫處折疊三道，折疊寬度5～10 cm，袋的縫制做到疊接到位，線腳順直，均勻牢固，本工程砂袋規(guī)格尺寸為5 m×6 m×0.4 m(寬×長×高)，根據(jù)施工需要，設(shè)置多種砂袋規(guī)格。②根據(jù)本工程情況土工織物袋上表面設(shè)置袖口，5 m×6 m×0.4 m(寬×長×高)砂袋設(shè)置一個(gè)充填袖口一個(gè)排水袖口，袖口伸出砂袋表面長1 m，采用230 g/m2機(jī)織布，袖口與砂袋縫制要求連接平順緊密，避免砂袋充填時(shí)袖口損壞跑漿。③土工織物袋在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和施工過程中，均不能長期暴露在太陽光下，以免老化變脆、強(qiáng)度降低。特別是在施工中，上一層袋體不能及時(shí)充填覆蓋，坡面未及時(shí)相應(yīng)鋪?zhàn)o(hù)時(shí)，應(yīng)及時(shí)覆蓋和保護(hù)。袋裝砂施工工藝如圖5所示。

圖5 袋裝砂施工流程圖

4.4 施工前的掃測

施工前必須對(duì)單樁基礎(chǔ)沖刷進(jìn)行地形掃測，掃測采用多波束雙頻測深儀掃測成圖，為吹填工程量、現(xiàn)狀地形、灘涂標(biāo)高差、海纜路由圖等提供精確數(shù)據(jù)。掃測時(shí)選擇天氣晴好、無風(fēng)浪、無波浪的時(shí)段，并嚴(yán)格計(jì)算出潮高和潮低時(shí)(掃測結(jié)果由甲方提供)。確保航行通暢和船舶設(shè)備正常運(yùn)行。對(duì)淺水區(qū)進(jìn)行實(shí)際水深探測，做好水深警示標(biāo)記。對(duì)海圖上未標(biāo)注的實(shí)際存在的海底管線及已敷設(shè)海纜路由均需與相關(guān)部門聯(lián)系，取得實(shí)際路由GPS坐標(biāo)，對(duì)施工船舶進(jìn)行交底，確保拋錨避開該區(qū)域，做好成品保護(hù)。

4.5 機(jī)械設(shè)備準(zhǔn)備

根據(jù)本工程施工進(jìn)度的總體安排，投入本工程的大型船機(jī)設(shè)備依托我公司的船機(jī)設(shè)備資源，并借助長期合作方的優(yōu)勢資源。船機(jī)設(shè)備的配備符合本工程的施工特點(diǎn)，船舶的抗風(fēng)浪能力和防走錨能力滿足施工海域的需求；施工設(shè)備數(shù)量滿足本工程施工進(jìn)度需要；拋、移錨時(shí)間較長且只能在白天進(jìn)行，爭取在較小的情況下一天完成一根基樁防護(hù)。

本工程拋投船舶為金馬工1199鋪排船，并配備1艘吸沙船，1艘3 000 m3深倉運(yùn)砂船。鋪排船正常配備4套6PNL-20型神龍泵，直接鋪排船上將泥漿泵吊放入深倉駁內(nèi)將抽出進(jìn)行砂袋充填，充砂完成后打放下滑板進(jìn)行拋投，如此往復(fù)循環(huán)。根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)，鋪排船每天能完成1 500 m3的拋砂袋量，考慮到拋砂袋施工受潮汐影響，風(fēng)浪、現(xiàn)場施工船舶相互影響等因素，施工效率按照30%計(jì)算，袋裝砂拋填施工每天能夠完成450 m3，因此，配備1艘鋪排船可以滿足每天拋袋裝砂319 m3的要求。

3 結(jié) 語

以江蘇某海上風(fēng)電工程為例，對(duì)單樁基礎(chǔ)防沖刷工藝及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要結(jié)論如下：

1)本次所測12臺(tái)單樁基礎(chǔ)周邊海底地形均存在不同程度的沖刷現(xiàn)象：相對(duì)設(shè)計(jì)高程最大坑深距風(fēng)機(jī)中心半徑23 m范圍內(nèi)，最大坑深范圍為0.49～6.3 m，計(jì)算得出平均沖刷方量約為3 402 m3。

2)采用復(fù)合吹砂袋和固化土相結(jié)合方法施工，先采用編織復(fù)合布充填袋裝砂進(jìn)行沖刷坑回填防護(hù)，再采用標(biāo)準(zhǔn)固化土吹填約2 m，自然流淌至防護(hù)圍，形成一個(gè)整板固化土抗沖刷樁基護(hù)底結(jié)構(gòu)。

3)施工前必須對(duì)單樁基礎(chǔ)沖刷進(jìn)行地形掃測，掃測采用多波束雙頻測深儀掃測成圖，為吹填工程量、現(xiàn)狀地形、灘涂標(biāo)高差、海纜路由圖等提供精確數(shù)據(jù)，確保航行通暢和船舶設(shè)備正常運(yùn)行。